股骨头坏死中松质骨微观力学特性的演变规律

张长灏 孟昊业 汪爱媛 刘有军 马海洋 杨海胜

0 引言

股骨头缺血性坏死(osteonecrosis of the femoral head, ONFH)是骨科中一种难以治愈[1-2]、且发病人群广泛[3]的疾病，其特征为股骨头血供中断或受损，引起骨细胞、骨髓成分死亡及随后的修复反应，继而导致松质骨微结构改变。如果患者在股骨头坏死前期不能及时得到有效的治疗，则可能有约 80% 的患者在1～4年内发展为股骨头塌陷[4]，这时由于没有其他切实有效的治疗手段，往往只能进行关节置换。而关节置换不仅会给患者的家庭带来巨大的经济负担，也会为患者带来巨大的痛苦[5-7]，且术后还会面临多次修复的问题，因此，股骨头坏死的早期诊断和治疗非常关键。但是，目前对于股骨头坏死的发生机制，尤其是松质骨微观力学特性的演变规律尚不完全明确。

有学者提出一系列关于股骨头坏死成因的假说，比如血流紊乱、骨细胞凋亡、脂质代谢紊乱、基因多态性、免疫因子和生物力学因子等因素的影响[5,8-9]。从生物力学角度来讲，髋关节作为人体重要的承重关节，其内部松质骨承担了绝大部分力学传递的工作。Bullough等[10]提出增厚的硬化骨小梁和坏死骨小梁之间连接处的应力集中可能是塌陷的原因。已有研究在塌陷股骨头样本中的硬化边界处发现了剪切应力集中的现象[11]。因此，股骨头内部松质骨的结构和力学性能的改变可能会是导致股骨头坏死的重要因素。

基于医学影像的有限元建模分析方法(finite element modeling, FEM)可以无创研究目标骨骼的受力特性[12]。一些研究人员基于临床CT使用人的股骨头坏死样本[13-14]进行了有限元分析，结果显示坏死股骨头中的应力分布与正常股骨头中的应力分布的差异有统计学意义[15]。Yang等[16]通过对股骨头样本的研究发现了不同坏死区域大小对应力分布的影响，其中观察到大坏死病变患者的应力指数高于小坏死病变患者。Ma等[17]分区域对塌陷后的股骨头样本的松质骨力学性能进行了研究，发现不同区域的松质骨呈不同的生物力学特性。而塌陷前微结构及其力学性能的变化可能对坏死的加重或塌陷的进一步演化有重要提示，但现有研究针对早期股骨头坏死的研究相对较少。

现有研究中缺乏对股骨头内部松质骨的微观力学性能研究和对比。为此本研究针对不同坏死阶段(Ⅱ期、Ⅲ期、Ⅳ期分期)中股骨头内部松质骨，通过基于显微CT图像建立的有限元模型及数值模拟的方法，研究其微结构特性和小梁骨微观力学行为的变化规律，以期为揭示股骨头坏死发病机制提供生物力学理论基础。

1 材料与方法

1.1 样本及显微CT扫描和分区

10例样本均来自于中国人民解放军总医院骨科研究所保存的从髋关节置换术中截除的股骨头标本经中国人民解放军总医院医学伦理委员会批准及患者签署知情同意书，用于本研究。标本放置于-20℃的低温环境中保存，在实验开始前24 h取出以保证充分解冻。按照国际骨循环研究学会(Association Research Circulation Osseous，ARCO)标准对样本进行分类[18-20]，其中Ⅱ期样本3例，Ⅲ期样本3例，Ⅳ期样本4例。所有样本均采用GE 高分辨率显微CT仪(Explore Locus SP，GE Healthcare Technologies，美国)进行扫描和图像采集(扫描参数：45 μm, 80 kV, 450 μA)。

在坏死晚期的股骨头显微CT图像中可观察到明显的塌陷，因此根据处于坏死晚期(IV期)的样本对股骨头进行分区，以便选取到恰当的坏死区域。根据临床医生的经验将1例处于IV期的股骨头样本分为4个区域[17]：出现明显塌陷的区域划定为坏死区(A)，与坏死区同样靠近股骨头表面但不处于冠状面切面的区域被定义为侧向区(B)，位于坏死区下部但其阈值高于其他区的被定义为硬化区(C)，在硬化区下部，阈值降低且靠近股骨颈的区域被定义为远端区(D)(如图1)。

基于显微CT图像进行分区(A—坏死区；B—侧向区；C—硬化区；D—远端区)、建立典型松质骨块三维模型、分析微结构并通过微有限元计算松质骨微观力学特性。图1 建模分析流程(获取图像一建立三维模型一施加载荷的有限元分析)Figure 1 Research process (image acquisition-3D modeling-finite element analysis with load applied)

其余各个分期的样本以此为据选取相应位置进行分区。

1.2 松质骨微结构分析

对于每一例样本，从A、B、C和D区域中选取一个边长为8 mm的松质骨立方体进行研究，对显微CT图像进行阈值分割，利用ImageJ软件中的BoneJ插件计算所有股骨头样本中不同区域对应的松质骨块的各项形态计量学参数[21]，包括：骨体积分数(bone volume/total volume, BV/TV)、骨小梁厚度(trabecular thickness, Tb.Th)、骨小梁间隙(trabecular separation, Tb.Sp)和结构模型指数(structure model index, SMI)。其中骨体积分数表示骨组织体积和整体体积的比值，可反映骨量情况；骨小梁厚度指骨小梁的平均厚度；骨小梁间隙指的是骨小梁之间的平均髓腔宽度；结构模型指数则是用来描述骨小梁形状的参数，参数值在0～3之间，0为绝对板状，3为绝对杆状。

1.3 微有限元(micro finite element analysis，μFEA)的微观力学特性分析

本研究前期已建立了一套基于显微CT图像的有限元分析方法，用于研究松质骨的微观力学特性，并经过体外实验和数字体相关分析的验证。本文中，对所有样本不同分区内的松质骨块进行三维重建和网格划分，建立由四面体单元构成的微有限元模型。

根据研究所使用的显微CT仪的标准体模的扫描结果计算出该显微CT仪的骨矿物密度和CT值关系为：

BMD=0.329 5HU

(1)

式中：BMD为骨矿物密度，单位为mg/cm3。

考虑松质骨组织材料的非均质特性，按照Easley 等对多个骨组织研究进行综合统计所得出的弹性模量和骨矿物密度关系：

E=1.127×10-4BMD1.746

(2)

式中：E为弹性模量，单位是GPa，为模型赋予共计250种弹性模量。泊松比取0.3[23]。

根据松质骨在股骨头中的位置，对模型上表面施加1%的表观应变(0.08 mm)，下表面完全固定，计算松质骨的组织应力(范式等效应力和最大主应力)和表观刚度(ABAQUS)，比较不同分期4个相同区域松质骨的微观和表观力学性能。其中，力学性能指标包括松质骨模型全部单元的范式等效应力(von Mises stress)和最大主应力(maximum principal stress)，计算所有网格应力结果的平均值和最大值(应力最大值的计算方法是将应力从小到大进行排序，取应力值最大的5%个单元的应力平均值作为最大值，以消除个别单元异常可能导致最大值出现大幅偏差的问题)[24-25]。最后对比不同分期、分区的松质骨微观力学特性，其中应力结果中不包含Ⅳ期坏死区模型，因为该模型空洞部分较大，导致有限元分析无法成功完成计算。

表观力学性能以松质骨的表观刚度进行表征，由模型的受边界条件约束的下表面所有单元网格的支反力的合力与施加位移的比值来进行计算(ABAQUS)。

1.4 统计学分析

采用 IBM SPSS 23.0进行统计学分析。试样某个分区内不同分期之间的比较采用单因素方差分析，P<0.05 被认为差异具有统计学意义。每个区域中，Ⅲ期和Ⅳ期均与Ⅱ期结果进行比较，Ⅳ期结果还与Ⅲ期进行对比。与前一期对比(即Ⅱ期和Ⅲ期，Ⅲ期和Ⅳ期对比)可以研究松质骨逐步变化情况，末期与早期对比(即Ⅳ期和Ⅱ期对比)可以研究松质骨整体变化情况。

2 结果

2.1 不同分区内松质骨微结构随坏死程度(分期)的变化规律

对股骨头样本中的松质骨微结构参数进行统计分析，各参数结果如图2所示。结果表明侧向区和远端区松质骨在股骨头坏死发展过程中各项骨微结构参数均没有明显改变。坏死区的骨体积分数在前期虽有下降但不并显著，而从Ⅲ期到Ⅳ期产生了显著下降。与此同时，骨小梁间隙呈不断上升的趋势，结构模型指数在后期有所下降，而骨小梁厚度在从Ⅱ期到Ⅳ期的过程中变化不显著。硬化区松质骨在坏死的过程中骨体积分数呈不断上升的趋势，且Ⅲ期即有明显增加，同时骨小梁间隙处于不断下降的状态。与其他区域类似，骨小梁厚度变化并不显著，而结构模型指数从Ⅲ期开始就有显著下降，并持续到Ⅳ期。

*表示该期结果与Ⅱ期对比差异有统计学意义; +表示IV期结果与Ⅲ期对比差异有统计学意义。图2 不同时期不同区域松质骨微结构参数变化Figure 2 Microarchitectural parameters of the trabecular bones in different regions during different periods

2.2 不同分区内松质骨微观力学特性随坏死程度(分期)的变化规律

范式等效应力的平均值和最大值结果如图3、图4所示，在产生相同应变的情况下侧向区的松质骨轴向应力下降，应力平均值和最大值从Ⅱ期到Ⅳ期分别下降36.3%和40.5%。远端区应力则变化不大。坏死区从Ⅱ期到Ⅲ期变化不大。而硬化区部分松质骨的应力在Ⅱ期到Ⅳ期的过程中整体都有大幅度提高，应力平均值和最大值从Ⅱ期到Ⅳ期分别上升53.1%和64.2%。

*表示该期结果与Ⅱ期对比差异有统计学意义。图3 不同时期不同区域范式等效应力平均值Figure 3 Average value of von Mises stress in different regions during different periods

*表示该期结果与Ⅱ期对比差异有统计学意义；+表示IV期结果与Ⅲ期对比差异有统计学意义。图4 不同时期不同区域范式等效应力最大值Figure 4 Maximum value of von Mises stress in different regions during different periods

最大主应力的平均值和最大值结果分别如图5、图6所示，结果与范式等效应力结果相似，侧向区的松质骨轴向应力平均值和最大值从Ⅱ期到Ⅳ期分别下降33.4%和29.3%，远端区和坏死区前期(从Ⅱ期到Ⅲ期)应力变化不大。硬化区部分应力有大幅度提高，轴向应力平均值和最大值从Ⅱ期到Ⅳ期分别上升62.4%和79.1%。

*表示该期结果与Ⅱ期对比差异有统计学意义；+表示IV期结果与Ⅲ期对比差异有统计学意义。图5 不同时期不同区域最大主应力平均值Figure 5 Average value of the maximum principal stress in different regions during different periods

*表示该期结果与Ⅱ期对比差异有统计学意义；+表示IV期结果与Ⅲ期对比差异有统计学意义。图6 不同时期不同区域最大主应力最大值Figure 6 Maximum value of the maximum principal stress in different regions during different periods

2.3 不同分区内松质骨表观刚度随坏死程度(分期)的变化规律

表观刚度结果如图7所示，随着股骨头坏死的发展，侧向区的松质骨刚度从Ⅱ期到Ⅳ期下降27.7%，硬化区的刚度上升58.7%。坏死区从Ⅱ期到Ⅲ期以及远端区域的松质骨刚度变化不大。

*表示该期结果与Ⅱ期对比差异有统计学意义；+表示IV期结果与Ⅲ期对比差异有统计学意义。图7 不同时期不同区域松质骨表观刚度Figure 7 Apparent stiffness of trabecular bone in different regions during different periods

3 讨论

本研究结合显微CT和显微有限元分析方法对股骨头坏死不同阶段的股骨头标本内部不同典型区域的松质骨进行了微结构和力学特性(特别是微观力学特性)的分析。在松质骨微结构方面，随着股骨头坏死的发展，坏死区的骨体积分数降低，骨小梁间隙增加，硬化区松质骨结构变化与之相反，而远端区和侧向区受到影响较小。在骨组织微观受力方面，同样加载1%的表观应变载荷时，坏死区从Ⅱ期到Ⅲ期的应力并没有明显变化，而硬化区域随着股骨头坏死的发展，松质骨所受应力不断上升，且从Ⅲ期开始就有明显增加，侧向区的应力则不断下降，远端区在不同时期应力变化不显著。各时期、各分区的松质骨表观刚度变化均与应力变化一致。

在对比不同区域松质骨在股骨头坏死发展过程中的变化后，可以认为在股骨头坏死前期，硬化区是最需要关注的区域，因为更靠近股骨头表面的坏死区和侧向区，在坏死前期却没有较大变化。如果仅关注近端区域，将有可能错失早发现、早治疗的机会。而硬化区域在结构和力学性能上变化最剧烈，且在股骨头坏死前期即可观察到，所以关注硬化区的变化将有助于股骨头坏死早期的诊断。

Karasuyama等[11]通过基于显微CT的有限元分析对股骨头中应力分布的研究发现剪切应力和剪切应变均集中在硬化处。Chen等[26]采用了模拟硬化带的方法改变坏死股骨头内部的密度分布，以此对比股骨头负重区软骨下骨中范式等效应力，研究硬化带对于坏死股骨头应力的影响，发现硬化带是对股骨头弹性模量降低的一种适应性反应，而作为补偿结构增强的硬化带可以显著减小软骨下骨在病变较小时的应力，但在病变过大时失效。这些研究均表明硬化区对坏死股骨头影响很大，所以应在临床诊断中对其重点关注。

此外，也有相关研究对股骨头坏死后期松质骨不同区域的生物力学性能进行探究，Ma等[17]通过对晚期坏死股骨头进行微结构分析和力学实验发现，坏死区力学性能较弱而硬化区较强，这种结构的不平衡导致了股骨头坏死发生的可能性增加。但是，这些研究由于缺乏早期股骨头样本，因此对于股骨头内部松质骨的力学特性随着坏死进程的演变规律缺少全面了解。本研究中有Ⅱ期样本3例，一定程度上弥补了其他研究中对于前期股骨头样本缺乏的不足。因此，本研究组发现的坏死区松质骨结构和力学性能变化最为剧烈的规律将对早期临床诊断有重要意义。但是，研究中仍然没有I期的标本，因为没有I期患者会进行髋关节置换术，所以无法采集到相关标本。

本研究尚有局限性。(1)样本量较少，且不同分期的样本来自不同背景的患者，所以分析结果可能会受样本年龄和性别等因素的影响，但是，从标准差大小可以判断其影响不大，且差异具有统计学意义。(2)本研究仅分析了松质骨在单向压缩下的微观力学特性，而实际在股骨头中受力复杂，受到多轴力，包括剪切，而且本研究只做了线弹性的分析，没有考虑损伤破坏，因此下一步研究将进行复杂形式受力分析和非线性有限元分析。

4 结论

随着股骨头坏死程度的加剧，硬化区的松质骨微结构和力学性能变化最大，应作为临床早期诊断中重点关注的区域。此外，松质骨微结构参数并不能准确、全面地体现松质骨的力学行为，而股骨头塌陷最终取决于其力学特性，因此结合有限元分析方法可更加全面了解股骨头坏死的微观力学演变规律。